電動汽車電源管理系統綜述

楊晨+周冬婉

摘 要 與燃油汽車相較，環境友好型的電動汽車解決了其帶來的環境污染與能源消耗問題，大力發展電動汽車已為必然。本文介紹了幾種國內外電池管理系統典型模式，論述了電池管理系統的功能、SOC估計的方法、均衡管理技術以及熱管理，最后提出了電池管理系統今后的研究方向。

關鍵詞 電池管理系統 SOC估計 均衡控制 熱管理

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.10.023

Overview of Power Management System for Electric Vehicles

YANG Chen， ZHOU Dongwan

（School of Electrical and Electronic Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan， Hubei 430068）

Abstract Compared with fuel vehicles， environmentally friendly electric vehicles solve the problems of environmental pollution and energy consumption， so it is necessary to develop electric vehicles. This paper introduces several typical mode of domestic and foreign battery management system， discusses the function of the battery management system， SOC estimation method， equalization technique and thermal management， finally， the future research orientation of the battery management system is proposed.

Keywords battery management system； SOC estimation； battery equalization； thermal management

在當今這個提倡綠色環保，節能減排的社會環境下，純電動汽車以其零排放的特點引起了眾多研究者的興趣。電池管理系統性能的優劣程度，決定了電動汽車的動力性能與續駛里程。電池管理系統作用包括精確測定電池組的荷電狀態，對剩余電量進行良好估計；實時監控電池組的運行狀態，包括測定單體電池以及電池組的電壓、電流、溫度等工作參數，防止出現過充過放，降低電池的性能等問題；同時對單體電池間、電池組間進行均衡，延長使用壽命。

1 國內外電池管理系統的研究狀況

1.1 國外電池管理系統的研究狀況

對于電池管理系統的研究，美國、日本及一些歐洲國家起步較早。其中以美國研究最為前沿、德國電動汽車在歐洲國家中發展最為迅速。典型模式主要特點如下：

美國通用公司生產的EVI的電池管理系統，核心部分在于BMP，實現電壓電流溫度監測，同時具有過放電報警與高壓斷電保護。Aerevironlnent公司研發的SmartGuadr系統，由專用集成電路檢測電壓電流，可防過充，提供歷史數據及最差電池的SOC。AC Propulsion公司研發的高性能Batopt系統，采用分布式系統，由監控模塊采集電池工作信息，通過總線送到主控模塊，充電策略提供手動自動兩種。德國Mentzer Electronic Gmbh和Werner Retzlaff設計的BADICOACH和BADICHEQ系統，前者可測定20個單體電池參數，實現均衡充電，數據通信，數據顯示功能。后者為前者的改進，每一單體電池均加了一采集電壓的非線性電路，并注意木桶效應，反映最差電池剩余電量并給予保護。

1.2 國內電池管理系統的研究狀況

對于電池管理系統的研究，國內起步雖晚，但對此十分重視。2005年的“863”計劃中，有關電動汽車的項目大大增加。1999年北京交通大學一直致力BMS的研究。系統功能上多了絕緣檢測，電池離散性評價體系，及利用充電機通訊，實現安全充電的新功能。SOC估算上成功運用雙卡爾曼濾波預測法到實踐中。奇瑞汽車公司研發的BMS分布式結構，由電池模塊、數據采集模塊、電池管理模塊以及CAN總線模塊組成。具有管理單體電池，擴充接口，均衡充電的功能。比亞迪汽車公司為混合動力車研發的BMS也采用分布式，可采集電池組總電壓電流，進行SOC估算及安全保護、熱管理。江淮汽車公司公開了一種集中式的架構，包括主控模塊、電池單體電壓采集電路與接口電路，實現單體電池間的熱均衡，通信速率達400KHz。

2 BMS系統架構及原理簡介

2.1 電池管理系統的分類及功能

電池管理系統有分布式和集中式兩種。集中式由一個控制器控制并處理所有的監控模塊采集的數據信息。分布式有一個主控制器，每個監控模塊均有其獨立的分控制器處理其采集到的數據。兩者相較，集中式具有節約空間，走線簡單，結構成本低等優點；分布式具有便于實現均衡充電，克服電池的不一致性等優點。作為電動汽車的核心技術之一，主要功能包括：采集單體電池及電池組的電壓、電流、溫度等參數；進行SOC估計；充放電過程管理；均衡管理；熱管理；數據通訊；安全管理。

2.2 SOC估計的方法

SOC的準確估計是電源管理系統的核心問題之一，正確估計電池的剩余容量才能夠實現對電池組的監控檢測及保護。如今較典型的SOC估量的方法包括：安時計量法、內阻法、開路電壓法、神經網絡法、卡爾曼濾波法等。endprint

（1）安時計量法，其原理較為簡單，著重于電池電量的出入。忽略電池內部的結構及電化學反應，做一個封閉的對象，利用積分實時監測電池充入與放出的能量。根據大量充放電實驗數據得出電池最后的經驗公式。當前SOC的計量公式為：其中SOC0表示初始時的SOC，Ct表示額定容量， 為充放電效率，I為充放電時電流。安時法雖然簡單操作方便，但很明顯會有誤差累積影響估算精度，且一般電池初始時的SOC0不知，因而安時法一般不單獨使用，與其他方法聯合使用或者建立補償關系來提高精度。

（2）開路電壓法，此方法主要是由于開路電壓與電池的剩余容量具有一定線性關系，從而估算SOC。對于鉛酸電池，鎳氫電池以及鋰離子電池，鉛酸電池線性關系與其他兩種相比較好，但都可以進行SOC估算，且鎳氫電池與鋰離子電池在充放電初期和末期效果表現較穩定。此法雖然簡潔，但是需電池在穩定條件下進行，需較長靜置時間，且不適合在線檢測。

（3）內阻法，根據計算電池的內阻來推測剩余電量。電池的內阻由直流內阻和交流內阻構成，直流內阻即通直流電時，短時間內△U與△I的比值。交流內阻則為通交流電時，電壓與電流的傳遞函數。電池的工作條件對內阻影響大，放電初期規律不明顯，很少在電動車上應用。

（4）神經網絡法，此方法很好地處理了電池在運行過程中的非線性問題，利用并行處理結構及自學習能力估算電池的SOC，一般采用典型的三層神經網絡，輸入層，輸出層，中間層。神經網絡法理論上是可以應用于大多數電池的，不過采用此方法需要大量的實驗數據進行訓練，誤差取決于輸入量的準確性與訓練方法的合理性。

（5）卡爾曼濾波法，利用不斷遞推的方式來進行的，前提是建立一個正確的電池模型，估算的原理即將上一刻的實驗數據進行分析然后與監測到的值相比，得到最優的誤差值，同時更新數據，估計下一刻的誤差，反復更新以及選取最優值。此算法相對于其他方法準確性高，但需要大量的運算時間。

2.3 電池均衡的方法

實際每個電池不可能完全相同，必然存在差異，隨使用時間的增加差異也加強，可能導致壽命縮短，爆炸等問題，因而進行均衡十分必要。均衡控制分主動式與被動式均衡兩類。

（1）被動式均衡，此方法也稱為能量耗散型均衡，通過消耗掉多的能量來達到均衡的目的。在電路中，給每節單體電池并聯一個旁路電阻，當監測到電池電壓過高或者達到截止電壓時，就開始進行均衡，使旁路電阻流過電流，以熱量的形式散發。這種方式簡單可靠，放電速度快，但其效率低下，且消耗了整個電池組的能量，現如今不再成為主要發展方向。

（2）主動式均衡，此方法又稱為能量轉移法，一般包括開關電容與DCDC變流器法。

①開關電容法，通過電容儲能元件的特性來進行能量的傳遞。兩個相鄰串聯的電池間利用一個開關器件與電容并聯，充放電過程中，控制其切換。控制電容存儲和釋放能量，完成兩個電池的能量傳遞。

②DCDC變流器法，按照電路拓撲結構分為集中式和分布式均衡。集中式靠多副邊變壓器來實現，按照能量傳遞方向又可以分單向和雙向均衡。如圖1，變壓器原邊線圈連接著電池組，每個單體電池連接著匝數相同的副邊繞組，假設系統監測到低電壓電池，控制開關器件然后給原邊繞組充電儲存能量，再通過副邊繞組釋放給單體電池，使之達到一致實現均衡。

分布式均衡是每個單體電池都有自己獨立的均衡模塊進行充電控制，靈活度高易于模塊化，但是也存在著控制器件多控制電路復雜的問題。現如今分布式均衡主要采用反激變壓器隔離式均衡，當然也有雙向與單向之分。這種方法優點主要在于功率范圍變寬，工作在高頻狀態時設備還可小型化，雙向變換器從體積質量成本上來說應該是以后的發展趨勢（見圖1）。

2.4 電池組熱管理

進行熱管理對于電池使用壽命，電池性能，及整車運行安全意義重大。電池組熱管理系統功能在于：（1）準確監控測量電池溫度。（2）電池組溫度過高時有效進行通風散熱。（3）溫度低時，快速加熱促使電池組正常工作。（4）當產生有害氣體時，快速通風。（5）維持整個的溫度場分布均勻。

電池組熱管理系統設計的關鍵技術包括：（1）確定電池最優工作溫度范圍，對鋰離子電池而言，工作范圍為充電時-10～45℃，放電時-30～55℃。而對于氫鎳電池和鉛酸電池而言工作溫度范圍為充電時-10～50℃，放電時-20～60℃。電池最優工作范圍在20～40℃。（2）對電池進行熱場計算與溫度預測。（3）傳熱介質的選擇。（4）熱管理系統散熱結構的設計。（5）風機與測溫點選擇。在電池熱管理系統設計中，電池熱模型的建立是重要研究，現如今空氣冷卻為最常用的散熱方式，從工作特性看，并行通風優于串行通風。

3 BMS未來的研究方向

BMS作為電動汽車發展的關鍵技術之一，確實取得了不小的進步與發展，得到了廣泛的應用，但是電池管理技術還是不夠完善，存在著改良進步的空間：

（1）SOC估計還需要更加精準，即利用采集到的每塊電池的電壓、電流、溫度等歷史數據，更精確地建立出每個電池剩余電量模型、估計其剩余電量。如今的模型與估計方法均存在著一定的局限性，SOC估計仍是今后重點研究之一。

（2）均衡能力需進一步提高，電池自身本就存在著差異，使用中這些不一致性將導致充放電過程中嚴重失衡，提高均衡能力也就是通過均衡充電對電池進行補償，盡量維持電池的一致性，而今后均衡技術的發展方向應該會向能量轉移式發展。

（3）BMS的集成化，通用化還需加強，有些BMS針對某一電池使用效果比較好，然而換為另一種電池則不太理想，因而設計更加通用化的BMS也成為目前的方向之一。

（4）BMS的安全性能還需加強，BMS的安全性能為許多消費者最為關心的問題之一，主要包括加強抗干擾的能力，系統故障報警技術以及電池組熱管理能力等。

4 結語

電動汽車發展到今天其技術進步很大，但對于電池管理系統的研究仍存在著諸多技術上的問題亟待解決，若未來能夠解決這些技術上的難題，相信電動汽車會有更加蓬勃的發展。

基金項目：大學生創新創業訓練計劃項目經費資助（201610500002）

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